專利名稱：測量折射率和溫度的方法和光纖傳感器及相應的制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及光學測量領域，更具體地說，涉及一種同時測量折射率和溫度的方法和光纖傳感器及相應的制造方法。
背景技術(shù)：
光纖實時折射率傳感器由于光纖具有的小巧、操作方便、成本低廉以及許多其他的優(yōu)勢吸引了人們在生物、化學以及環(huán)境等領域的應用。但是，大部分需要測量的液體都是對溫度很敏感的，這就使得溫度交叉敏感導致準確的確定這些液體的折射率非常困難。因此有必要開發(fā)一種同時測量溫度和折射率的設備。各種各樣的光纖傳感器為了這個目的應運而生，包括取樣光纖布拉格光柵、光纖光柵和長周期光纖光柵的混合結(jié)構(gòu)、級聯(lián)長周期光纖光柵、傾斜光纖光柵以及光纖干涉儀等等。一般而言，這些傳感器通過同時檢測兩個特征波長確定溫度和折射率這兩個屬性，并且相應的解調(diào)系統(tǒng)也是很復雜的。解調(diào)系統(tǒng)通常包含導致非常復雜的敏感度矩陣(例如在不同的折射率范圍內(nèi)具有不同的矩陣系數(shù)，或者矩陣需要通過某種特有的多項式來表示)，非線性的折射率響應和自動實時測量方面的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的測量折射率和溫度的光纖傳感器需要同時測量兩個特征波長，解調(diào)系統(tǒng)比較復雜的缺陷，提供一種只通過分析光纖光柵的透射光譜即可對溫度和折射率同時進行測量，并且裝置制造簡單方便的測量折射率和溫度的方法和光纖傳感器及相應的制造方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種測量折射率和溫度的方法，其中包括步驟Si、在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；S2、將所述光纖光柵浸入被測量的物質(zhì)中；S3、通過測量所述光纖光柵的諧振波長的偏移計算出所述被測量的物質(zhì)的溫度；通過測量由所述微孔造成的諧振峰的強度計算出所述被測量的物質(zhì)的折射率。本發(fā)明還構(gòu)造一種光纖傳感器，包括單模光纖，其中，在所述單模光纖的纖芯內(nèi)設置有光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻有多個微孔。在本發(fā)明的光纖傳感器中，在所述光纖光柵鉆刻有8個所述微孔，所述微孔與所述纖芯中心的距離大于4微米，所述微孔之間的間距為500微米。本發(fā)明還構(gòu)造一種采用上述光纖傳感器的同時測量折射率和溫度的測量裝置。本發(fā)明還構(gòu)造一種光纖傳感器的制造方法，其中包括步驟Si、在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵；S2、在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔。在本發(fā)明的光纖傳感器的制造方法中，在所述光纖光柵鉆刻有8個所述微孔，所述微孔與所述纖芯中心的距離大于4微米，所述微孔之間的間距為500微米。在本發(fā)明的光纖傳感器的制造方法中，所述步驟S2包括S21、將所述單模光纖放置在三維移動平臺上，飛秒激光脈沖通過放大鏡聚焦在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；S22、使用異丙醇清洗所述微孔。在本發(fā)明的光纖傳感器的制造方法中，所述飛秒激光脈沖波長為800nm，脈沖寬度為120fs，脈沖能量為10uJ，頻率為1000Hz，照射時間為60s ；所述放大鏡為數(shù)值孔徑為 0. 5、能量耦合效率為0. 8、工作距離為2. Imm的20倍物鏡。在本發(fā)明的光纖傳感器的制造方法中，在步驟S21中，鉆刻的第一個微孔位于所述光纖光柵的邊緣。實施本發(fā)明的測量折射率和溫度的方法和光纖傳感器以及相應的測量裝置，具有以下有益效果只通過分析光纖光柵的諧振波長即可對溫度和折射率同時進行測量，并且裝置制造簡單方便。微孔和纖芯的設定間距以及微孔的間距保證了微孔可以起到很好的改變諧振峰強度的作用而不會引入太多的插入損耗。本發(fā)明的光纖傳感器的制造方法可以重復性高的實現(xiàn)微孔的鉆刻，同時鉆孔的位置防止對光纖纖芯和光纖光柵的周期性結(jié)構(gòu)造成較大的破壞。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1為本發(fā)明的測量折射率和溫度的方法的優(yōu)選實施例的流程圖；圖2A為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的表面形態(tài)俯視圖(聚焦在光纖包層表面上)；圖2B為圖2A的AA處的截面圖；圖2C為圖2A的BB處的截面圖；圖2D為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的表面形態(tài)俯視圖(聚焦在光纖纖芯上)；圖3A為沒有微孔的光纖光柵(實線)和具有微孔的光纖光柵(點線)的優(yōu)選實施例Sl的透射光譜圖；圖;3B為沒有微孔的光纖光柵(實線)和具有微孔的光纖光柵(點線)的優(yōu)選實施例S2的透射光譜圖；圖4A為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的光纖光柵的諧振峰強度隨外部折射率變化的變化示意圖；圖4B為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的不同折射率液體的透射光譜的光譜強度圖；圖4C為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的光纖光柵的諧振波長隨溫度變化的變化示意圖；圖5A為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的光纖光柵的諧振峰強度隨外部折射率變化的變化示意圖(圓圈代表測量值，實線代表計算值)；圖5B為本發(fā)明的光纖傳感器的優(yōu)選實施例的光纖光柵的光纖光柵的諧振波長隨溫度變化的變化示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，在本發(fā)明的測量折射率和溫度的方法的優(yōu)選實施例的流程圖中，所述測量折射率和溫度的方法開始于步驟100，隨后，到下一步驟101，在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；隨后，到下一步驟102，將所述光纖光柵浸入被測量的物質(zhì)中；隨后，到下一步驟103，通過測量所述光纖光柵的諧振波長的偏移計算出所述被測量的物質(zhì)的溫度；通過測量由所述微孔造成的諧振峰的強度計算出所述被測量的物質(zhì)的折射率。最后該方法結(jié)束于步驟104。采用該同時測量折射率和溫度的方法， 只通過分析光纖光柵的透射光譜即可對溫度和折射率同時進行測量，并且裝置制造簡單方便，避免了測量折射率和溫度的光纖傳感器需要同時測量兩個特征波長，解調(diào)系統(tǒng)比較復雜的缺陷。本發(fā)明還構(gòu)造一種光纖傳感器以及使用該光纖傳感器的測量裝置，所述光纖傳感器，包括單模光纖，其中在所述單模光纖的纖芯內(nèi)設置有光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻有多個微孔。在所述光纖光柵鉆刻有8個微孔，所述微孔與所述纖芯中心的距離大于4微米，所述微孔之間的間距為500微米。該光纖傳感器在光纖光柵位置設置一定數(shù)量的微孔， 幫助耦合光纖纖芯的光以改變光纖光柵的諧振峰的強度。因為微孔很難破壞光纖光柵的周期性結(jié)構(gòu)，溫度的改變可以通過光纖光柵的諧振波長的偏移確定。因此通過分別測量光纖光柵的諧振波長的偏移和諧振峰的強度就能獨立進行折射率和溫度的測量。本發(fā)明還涉及一種光纖傳感器的制造方法，制作時，將單模光纖固定在三維移動平臺上，通過使用飛秒激光在單模光纖上制作光纖光柵，使用寬帶光源和光譜分析儀觀察制作時的透射光譜。然后使用飛秒激光脈沖通過放大鏡聚焦在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔，飛秒激光脈沖(中心波長800nm，脈沖寬度120fs，頻率IkHz)通過一個20倍物鏡(數(shù)值孔徑為0. 5，能量耦合效率為0. 8，工作距離為2. Imm)被聚焦在單模光纖的覆層表面，脈沖能量被設置在10uJ，照射時間為60s。這些參數(shù)在鉆孔時保持不變以確保具有較好的鉆孔重復性。焦點設置在距離光纖纖芯中心4um處，使得鉆刻的微孔與纖芯中心的距離大于 4um，第一個孔位于光柵邊緣防止對光纖纖芯和光纖光柵的周期性結(jié)構(gòu)造成較大的破壞。一共鉆8個微孔，孔間距為500um，鉆孔完成后用異丙醇清洗所述微孔。這里采用的光纖光柵為Type II型光纖光柵，Type II型光纖光柵具有與Type I型光纖光柵(一般在載氫光纖或光敏光纖中寫入)不同的光柵寫入機理。多光子和雪崩離子化導致的等離子體導致誘導指數(shù)的改變，這些需要比制作Type I型光纖光柵更高的能量閾值。這種高的激光能量可能影響玻璃纖維結(jié)構(gòu)，造成光纖上的損傷區(qū)域，因此Type II型光纖光柵具有極高的溫度穩(wěn)定性，能夠在高溫下正常工作。寬帶光源和光譜分析儀(分辨率為0. Olnm)被用來觀察制作時的透射光譜。制作出來的光纖傳感器不僅僅是微孔和光學光柵的結(jié)合，它還具有以下特點1、 大多數(shù)的微孔都制作在光柵區(qū)域，這樣便于縮小光纖傳感器的體積；2、微孔與光纖纖芯具有幾微米的距離，使得光纖纖芯一端部分暴露到外部介質(zhì)中而不會較大的損壞光纖光柵的周期型結(jié)構(gòu)。下面通過具體實施例說明本發(fā)明的測量折射率和溫度的方法和相應的光纖傳感器的工作原理。圖2A-圖2D示出了具有微孔的光纖光柵不同視角的形態(tài)圖，能夠清楚的在圖2C 和圖2D中看到光纖光柵的主要的周期性結(jié)構(gòu)沒有受到影響。觀察8個微孔中的兩個以檢查微孔的重復制造度，其中圖3A是優(yōu)選實施例Sl的沒有微孔的光纖光柵(實線)和具有微孔的光纖光柵(點線)的透射光譜圖；圖3B是優(yōu)選實施例S2的沒有微孔的光纖光柵(實線)和具有微孔的光纖光柵(點線)的透射光譜圖；它們相應的插入損耗分別為7. 30dB和 6. 94dB，也是很相近的。下面通過具體實施例描述該具有微孔的光纖光柵如何進行折射率的測量將具有微孔的光纖光柵浸入到不同折射率的液體(Cargille LABS)中進行在線折射率測量， 所述不同折射率的液體的折射率的范圍為1.3-1.45(測量溫度為25度，測試光波長為 589. 3nm)。在每次測量后，使用異丙醇清洗該光纖光柵，并且放置到它的透射光譜和它在空氣中的透射光譜一致后再放入其他折射率的液體中進行下一次的測量。圖4A示出了外部折射率改變造成的光纖光柵的響應。圖中包括了兩個實施例Sl 和S2，測量的時光纖光柵諧振峰λΒ處的光譜強度。在圖中下方的實施例Sl中，在折射率范圍1.3-1.45的范圍內(nèi)時，折射率的敏感度線性符合四.5dB/RIU，線性回歸值R = 0. 9981， 在圖中上方的實施例S2中，在折射率1.3-1. 395的范圍內(nèi)時，折射率的敏感度線性符合 33. 7dB/RIU，線性回歸值R = O. 9986。兩個實施例都具有相似的折射率敏感度和線性回歸值，這樣保證了實際使用裝置中的良好的線性關(guān)系。同時光纖光柵的諧振波長不會隨著外部折射率的增加而變化(實施例Sl —直為1570. 85nm,實施例S2 —直為1M4. 14nm)，因為光纖纖芯僅僅小部分暴露在外部環(huán)境中，這個意味著光能量主要限制在光纖纖芯中，因此外部折射率的改變對纖芯模式的有效折射率幾乎沒有影響。圖4B示出了實施例Sl中的不同折射率液體的透射光譜的光譜強度圖，從圖中可觀察到諧振峰波長λ ^沒有發(fā)生改變。下面通過具體實施例描述該具有微孔的光纖光柵如何進行溫度的測量將具有微孔的光纖光柵實施例Sl放置在暴露在空氣的烘箱中進行溫度測量，當溫度由20度逐漸升至90度時探測諧振波長的偏移。結(jié)果由圖4C中所示，可算得敏感度為10. 7pm/°C。下面通過具體實施例描述該具有微孔的光纖光柵如何同時進行折射率和溫度的測量將具有微孔的光纖光柵實施例Sl浸入折射率為1. 340的液體(測試溫度為25度，溫度系數(shù)為-0. 000388/°C )中，該液體折射率接近水的折射率。溫度變化范圍為20°C _80°C， 該液體可以能夠維持沒有明顯的蒸發(fā)。當把光纖傳感器浸入該液體中，溫度的升高造成液體折射率的降低，因此諧振峰強度也同時減小。圖5A示出了由于溫度引起的外部折射率變化導致的諧振峰強度變化。通過諧振峰強度確定的測量的折射率符合圖4A中的線性結(jié)果。 溫度引發(fā)的測量誤差和溫度-折射率的交叉敏感可以依據(jù)下述方法計算出我們首先根據(jù)液體的溫度系數(shù)確定不同溫度下液體的折射率，如圖5A中計算的折射率；根據(jù)圖4A所述結(jié)果找到相應的光強II，如圖5A中的插圖計算的強度；測量誤差即是光強I1和圖5A內(nèi)插圖的測量光強Itl之差，這里獲得的最大的誤差為溫度70度時的0. 03dB,誤差可能來自光源的光強波動和被測量的液體不能在整個測量溫度范圍內(nèi)保持同樣的溫度系數(shù)。溫度引起的諧振波長的偏移如圖5B所示，獲得的偏移率為10. 6pm/°C，幾乎和如圖4C所示通過飛秒激光制作type-II型光纖光柵的特征值相同。這個結(jié)果同樣指出具有微孔的光纖光柵的溫度屬性不受外部折射率的影響。
為了檢查具有微孔的光纖的機械強度。我們測量了具有8個微孔的實施例(光纖總長Mcm)，破壞應變?yōu)?. 2%，也就是說假設玻璃纖維具有70GPa的剪切模量時，相應的破壞壓力為0. 14GPa(或破壞張力1. 72N)，這個量認為是一個高的負載。另一個實施例將光纖彎曲至大約1. 5cm曲率半徑時斷裂，在我們的折射率和溫度測量的實驗中，使用的光纖都不會太脆以至于很容易斷裂，當然適當?shù)谋Ｗo仍然是需要的。綜上所述，通過飛秒激光輻射制作一種具有微孔結(jié)構(gòu)的光纖光柵，通過直接探測光纖光柵的諧振波長變化和強度變化實現(xiàn)溫度和折射率的同時獨立測量。溫度和折射率兩個參數(shù)通過一個測量特征波長的特性決定，這對于實現(xiàn)系統(tǒng)操作是便利的，在折射率范圍 1. 3-1. 45中，折射率敏感值為29. 5dB/RIU,并具有良好的線性，通過進一步增加微孔的數(shù)量還能夠進一步增加折射率敏感值，但是帶來更大的插入損耗的負面效果。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量折射率和溫度的方法，其特征在于，包括步驟51、在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；52、將所述光纖光柵浸入被測量的物質(zhì)中；53、通過測量所述光纖光柵的諧振波長的偏移計算出所述被測量的物質(zhì)的溫度；通過測量由所述微孔造成的諧振峰的強度計算出所述被測量的物質(zhì)的折射率。
2.一種光纖傳感器，包括單模光纖，其特征在于，在所述單模光纖的纖芯內(nèi)設置有光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻有多個微孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖傳感器，其特征在于，在所述光纖光柵鉆刻有8個所述微孔，所述微孔與所述纖芯中心的距離大于4微米，所述微孔之間的間距為500微米。
4.一種采用權(quán)利要求2或3的光纖傳感器的同時測量折射率和溫度的測量裝置。
5.一種光纖傳感器的制造方法，其特征在于，包括步驟51、在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵；52、在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，在所述光纖光柵鉆刻有8個所述微孔，所述微孔與所述纖芯中心的距離大于4微米，所述微孔之間的間距為500 微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟S2包括521、將所述單模光纖放置在三維移動平臺上，飛秒激光脈沖通過放大鏡聚焦在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；522、使用異丙醇清洗所述微孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，所述飛秒激光脈沖波長為800nm，脈沖寬度為120fs，脈沖能量為10uJ，頻率為1000Hz，照射時間為60s ；所述放大鏡為數(shù)值孔徑為0. 5、能量耦合效率為0. 8、工作距離為2. Imm的20倍物鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖傳感器的制造方法，其特征在于，在步驟S21中，鉆刻的第一個微孔位于所述光纖光柵的邊緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量折射率和溫度的方法，其中包括步驟在單模光纖的纖芯內(nèi)制作光纖光柵，在所述光纖光柵上鉆刻多個微孔；將所述光纖光柵浸入被測量的物質(zhì)中；通過測量所述光纖光柵的諧振波長的偏移計算出所述被測量的物質(zhì)的溫度；通過測量由所述微孔造成的諧振峰的強度計算出所述被測量的物質(zhì)的折射率。本發(fā)明還涉及一種相應的光纖傳感器和同時測量折射率和溫度的測量裝置以及光纖傳感器的制造方法。本發(fā)明的測量折射率和溫度的方法和光纖傳感器及相應的制造方法只通過分析光纖光柵的透射光譜即可對溫度和折射率同時進行測量，并且裝置制造簡單方便，避免了測量折射率和溫度的光纖傳感器需要同時測量兩個特征波長，解調(diào)系統(tǒng)比較復雜的缺陷。
文檔編號G01K11/32GK102466528SQ20101054033
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者廖常銳, 楊民蔚, 王東寧 申請人:香港理工大學